基于低共熔溶剂的1,3-丙二醇分子动力学选择性萃取机制及其在生物基化学品可持续生产中的应用

《Journal of Molecular Liquids》：Molecular dynamics insights into the selective extraction of 1,3-propanediol from fermentation broth using eutectic solvent

【编辑推荐】本研究通过分子动力学(MD)模拟揭示了薄荷醇-十二酸低共熔溶剂(ES)从发酵液中高效选择性萃取1,3-丙二醇(PDO)的分子机制。该ES体系展现80%萃取效率，对PDO的选择性比甘油(GLY)高7倍，比有机酸高40倍，ΔG和氢键分析证实PDO与ES羟基/羧基的特异性相互作用，为生物基PDO的绿色分离提供了新策略。

　　

Highlight

本研究通过分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟揭示了薄荷醇:十二酸(3:1)低共熔溶剂(Eutectic Solvent, ES)从含多种共存溶质的发酵液中高效捕获1,3-丙二醇(PDO)的"分子捕手"机制。

Computational details

构建了7个模拟体系，包括4个真实发酵液案例和3个等质量比的竞争性亲和力测试案例。使用GROMACS软件进行模拟，ES相采用薄荷醇(Menthol)和十二酸(Dodecanoic Acid)按3:1摩尔比构建，水相包含PDO及2,3-丁二醇(BDO)、甘油(GLY)、琥珀酸(SUC)等共存溶质。

Experimental density validation

通过±0.8电荷缩放因子的COMPASS力场参数验证显示，模拟密度与实验值偏差仅0.581%，宛如"分子尺子"般精准复现了实际体系的物理化学性质。

Conclusions

"分子舞蹈"分析表明：PDO在ES相中形成独特的双相结构，水侵入量仅4wt%；其羟基会优先"拥抱"薄荷醇的羟基和十二酸的羧基，选择性比GLY/BDO高7倍；扩散系数显示PDO在ES中移动缓慢，如同被"分子粘扣"固定；ΔG计算证实PDO在ES中的溶解自由能比水中低-10.2 kJ/mol，揭示其自发分离的热力学本质。